Próba wytrzymałości na rozciąganie jest stosowana głównie w celu określenia zdolności materiałów metalowych do opierania się uszkodzeniom powstającym podczas rozciągania. Jest ona jednym z ważniejszych wskaźników oceny właściwości mechanicznych materiałów.
1. Badanie wytrzymałości na rozciąganie
Próba rozciągania opiera się na podstawowych zasadach mechaniki materiałów. Poprzez przyłożenie obciążenia rozciągającego do próbki materiału w określonych warunkach, powoduje ona odkształcenie rozciągające aż do jej zerwania. Podczas próby rejestruje się odkształcenie próbki doświadczalnej pod różnymi obciążeniami oraz maksymalne obciążenie w momencie zerwania próbki, co pozwala na obliczenie granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i innych wskaźników właściwości użytkowych materiału.
Naprężenie σ = F/A
σ to wytrzymałość na rozciąganie (MPa)
F to obciążenie rozciągające (N)
A to pole przekroju poprzecznego próbki
2. Krzywa rozciągania
Analiza kilku etapów procesu rozciągania:
a. W fazie OP przy małym obciążeniu wydłużenie jest liniowo zależne od obciążenia, a Fp jest maksymalnym obciążeniem pozwalającym na utrzymanie linii prostej.
b. Gdy obciążenie przekroczy Fp, krzywa rozciągania zaczyna przyjmować zależność nieliniową. Próbka wchodzi w fazę początkowego odkształcenia, obciążenie zostaje usunięte, a próbka może powrócić do stanu pierwotnego i odkształcić się sprężyście.
c. Gdy obciążenie przekroczy Fe, obciążenie zostaje usunięte, część odkształcenia zostaje przywrócona, a część odkształcenia resztkowego zostaje zachowana, co nazywa się odkształceniem plastycznym. Fe nazywane jest granicą sprężystości.
d. Przy dalszym wzroście obciążenia krzywa rozciągania przyjmuje kształt zęba piły. Gdy obciążenie nie rośnie ani nie maleje, zjawisko ciągłego wydłużania próbki doświadczalnej nazywa się odkształcaniem plastycznym. Po odkształceniu próbka zaczyna ulegać wyraźnemu odkształceniu plastycznemu.
e. Po osiągnięciu granicy plastyczności próbka wykazuje wzrost odporności na odkształcenie, umocnienia i wzmocnienia odkształceniowego. Gdy obciążenie osiągnie Fb, ta sama część próbki gwałtownie się kurczy. Fb to granica wytrzymałości.
f. Zjawisko skurczu prowadzi do zmniejszenia nośności próbki. Gdy obciążenie osiągnie Fk, próbka pęka. Nazywa się to obciążeniem pękającym.
Granica plastyczności
Granica plastyczności to maksymalna wartość naprężenia, jaką metal może wytrzymać od początku odkształcenia plastycznego do całkowitego pęknięcia pod wpływem siły zewnętrznej. Wartość ta wyznacza punkt krytyczny, w którym materiał przechodzi z fazy odkształcenia sprężystego w fazę odkształcenia plastycznego.
Klasyfikacja
Górna granica plastyczności: odnosi się do maksymalnego naprężenia próbki przed pierwszym spadkiem siły w momencie wystąpienia odkształcenia.
Dolna granica plastyczności: odnosi się do minimalnego naprężenia w fazie plastyczności, gdy początkowy efekt przejściowy jest pomijany. Ponieważ wartość dolnej granicy plastyczności jest stosunkowo stabilna, jest ona zazwyczaj stosowana jako wskaźnik wytrzymałości materiału, nazywany granicą plastyczności lub granicą plastyczności.
Wzór obliczeniowy
Dla górnej granicy plastyczności: R = F / Sₒ, gdzie F jest maksymalną siłą przed pierwszym spadkiem siły na etapie plastyczności, a Sₒ jest pierwotnym polem przekroju poprzecznego próbki.
W przypadku niższej granicy plastyczności: R = F / Sₒ, gdzie F to minimalna siła F ignorująca początkowy efekt przejściowy, a Sₒ to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki.
Jednostka
Jednostką granicy plastyczności jest zwykle MPa (megapaskal) lub N/mm² (niuton na milimetr kwadratowy).
Przykład
Weźmy na przykład stal niskowęglową, której granica plastyczności wynosi zazwyczaj 207 MPa. Poddana działaniu siły zewnętrznej większej niż ta granica, stal niskowęglowa ulegnie trwałemu odkształceniu, którego nie da się przywrócić; poddana działaniu siły zewnętrznej mniejszej niż ta granica, stal niskowęglowa może powrócić do stanu pierwotnego.
Granica plastyczności jest jednym z ważnych wskaźników oceny właściwości mechanicznych materiałów metalowych. Odzwierciedla ona zdolność materiałów do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym pod wpływem sił zewnętrznych.
Wytrzymałość na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie to zdolność materiału do przeciwstawiania się uszkodzeniom pod wpływem obciążenia rozciągającego, wyrażana jako maksymalna wartość naprężenia, jakie materiał może wytrzymać podczas rozciągania. Gdy naprężenie rozciągające działające na materiał przekroczy jego wytrzymałość na rozciąganie, materiał ulegnie odkształceniu plastycznemu lub pęknięciu.
Wzór obliczeniowy
Wzór obliczeniowy na wytrzymałość na rozciąganie (σt) jest następujący:
σt = F / A
Gdzie F to maksymalna siła rozciągająca (w niutonach, N), jaką próbka może wytrzymać przed pęknięciem, a A to pierwotne pole przekroju poprzecznego próbki (w milimetrach kwadratowych, mm²).
Jednostka
Jednostką wytrzymałości na rozciąganie jest zazwyczaj MPa (megapaskal) lub N/mm² (niuton na milimetr kwadratowy). 1 MPa odpowiada 1 000 000 niutonów na metr kwadratowy, co również odpowiada 1 N/mm².
Czynniki wpływające
Na wytrzymałość na rozciąganie wpływa wiele czynników, m.in. skład chemiczny, mikrostruktura, proces obróbki cieplnej, metoda przetwarzania itp. Różne materiały charakteryzują się różną wytrzymałością na rozciąganie, dlatego w zastosowaniach praktycznych konieczny jest dobór odpowiednich materiałów w oparciu o ich właściwości mechaniczne.
Praktyczne zastosowanie
Wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo ważnym parametrem w dziedzinie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, często wykorzystywanym do oceny właściwości mechanicznych materiałów. W kontekście projektowania konstrukcji, doboru materiałów, oceny bezpieczeństwa itp., wytrzymałość na rozciąganie jest czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. Na przykład w inżynierii budowlanej wytrzymałość stali na rozciąganie jest istotnym czynnikiem decydującym o jej wytrzymałości na obciążenia; w lotnictwie i kosmonautyce wytrzymałość na rozciąganie lekkich i wysokowytrzymałych materiałów jest kluczowa dla zapewnienia bezpieczeństwa statków powietrznych.
Wytrzymałość zmęczeniowa:
Zmęczenie metalu odnosi się do procesu, w którym materiały i komponenty stopniowo powodują lokalne, trwałe, kumulujące się uszkodzenia w jednym lub kilku miejscach pod wpływem cyklicznych naprężeń lub odkształceń, a po określonej liczbie cykli pojawiają się pęknięcia lub nagłe całkowite pęknięcia.
Cechy
Nagłość: Zmęczenie materiału często następuje nagle, w krótkim czasie, bez widocznych objawów.
Lokalizacja w położeniu: Zniszczenie zmęczeniowe zwykle występuje w obszarach, w których koncentruje się naprężenie.
Wrażliwość na środowisko i defekty: Zmęczenie metalu jest bardzo wrażliwe na środowisko i drobne defekty wewnątrz materiału, które mogą przyspieszyć proces zmęczenia.
Czynniki wpływające
Amplituda naprężeń: wielkość naprężeń ma bezpośredni wpływ na trwałość zmęczeniową metalu.
Średnia wielkość naprężenia: Im większe średnie naprężenie, tym krótsza trwałość zmęczeniowa metalu.
Liczba cykli: Im częściej metal jest poddawany cyklicznym naprężeniom lub odkształceniom, tym poważniejsze są uszkodzenia zmęczeniowe.
Środki zapobiegawcze
Zoptymalizuj dobór materiałów: wybieraj materiały o wyższych granicach zmęczenia.
Zmniejszanie koncentracji naprężeń: Koncentrację naprężeń można zmniejszyć poprzez zastosowanie odpowiednich metod projektowania konstrukcji lub przetwarzania, np. poprzez stosowanie przejść o zaokrąglonych narożnikach, zwiększanie wymiarów przekroju poprzecznego itp.
Obróbka powierzchni: polerowanie, natryskiwanie itp. na powierzchnię metalu w celu zmniejszenia wad powierzchni i poprawy wytrzymałości zmęczeniowej.
Kontrola i konserwacja: Regularnie sprawdzaj elementy metalowe, aby szybko wykryć i naprawić uszkodzenia, np. pęknięcia; konserwuj części podatne na zmęczenie, np. wymieniając zużyte części i wzmacniając słabe ogniwa.
Zmęczenie metalu to powszechny rodzaj uszkodzenia metalu, który charakteryzuje się nagłością, lokalnością i wrażliwością na warunki otoczenia. Głównymi czynnikami wpływającymi na zmęczenie metalu są amplituda naprężeń, średnia wartość naprężeń oraz liczba cykli.
Krzywa SN: opisuje trwałość zmęczeniową materiałów pod różnymi poziomami naprężeń, gdzie S oznacza naprężenie, a N liczbę cykli naprężeń.
Wzór na współczynnik wytrzymałości zmęczeniowej:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Gdzie (Ka) jest współczynnikiem obciążenia, (Kb) jest współczynnikiem rozmiaru, (Kc) jest współczynnikiem temperatury, (Kd) jest współczynnikiem jakości powierzchni, a (Ke) jest współczynnikiem niezawodności.
Wyrażenie matematyczne krzywej SN:
(\sigma^m N = C)
Gdzie (\sigma) to naprężenie, N to liczba cykli naprężeń, a m i C to stałe materiałowe.
Kroki obliczeniowe
Określ stałe materiałowe:
Określ wartości m i C eksperymentalnie lub korzystając z odpowiedniej literatury.
Określ współczynnik koncentracji naprężeń: Weź pod uwagę rzeczywisty kształt i rozmiar części, a także koncentrację naprężeń spowodowaną przez wyokrąglenia, rowki wpustowe itp., aby określić współczynnik koncentracji naprężeń K. Oblicz wytrzymałość zmęczeniową: Na podstawie krzywej SN i współczynnika koncentracji naprężeń, w połączeniu z projektowaną trwałością i poziomem naprężeń roboczych części, oblicz wytrzymałość zmęczeniową.
2. Plastyczność:
Plastyczność odnosi się do właściwości materiału, który pod wpływem siły zewnętrznej ulega trwałemu odkształceniu bez pękania, gdy siła ta przekroczy granicę sprężystości. Odkształcenie to jest nieodwracalne, a materiał nie powróci do pierwotnego kształtu nawet po ustąpieniu siły zewnętrznej.
Wskaźnik plastyczności i wzór na jego obliczenie
Wydłużenie (δ)
Definicja: Wydłużenie to procent całkowitego odkształcenia przekroju pomiarowego po rozciągnięciu próbki do pierwotnej długości pomiarowej.
Wzór: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Gdzie L0 jest oryginalną długością pomiarową próbki;
L1 jest długością pomiarową po złamaniu próbki.
Redukcja segmentowa (Ψ)
Definicja: Zmniejszenie segmentowe to procent maksymalnego zmniejszenia pola przekroju poprzecznego w punkcie przewężenia po przełamaniu próbki do pierwotnego pola przekroju poprzecznego.
Wzór: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Gdzie F0 jest pierwotnym polem przekroju poprzecznego próbki;
F1 to pole przekroju poprzecznego w punkcie przewężenia po złamaniu próbki.
3. Twardość
Twardość metalu to wskaźnik właściwości mechanicznych mierzący twardość materiałów metalowych. Określa on zdolność do przeciwstawiania się odkształceniom w objętości lokalnej na powierzchni metalu.
Klasyfikacja i przedstawienie twardości metali
Twardość metali jest klasyfikowana i przedstawiana na różne sposoby, w zależności od różnych metod badawczych. Obejmują one głównie:
Twardość Brinella (HB):
Zakres stosowania: Ogólnie rzecz biorąc, stosuje się je w przypadku materiałów o większej miękkości, takich jak metale nieżelazne, stal przed obróbką cieplną lub po wyżarzaniu.
Zasada badania: Przy użyciu obciążenia testowego o określonej wielkości, hartowana kulka stalowa lub węglikowa o określonej średnicy jest wciskana w powierzchnię badanego metalu, a obciążenie jest zwalniane po upływie określonego czasu i mierzona jest średnica wgłębienia na badanej powierzchni.
Wzór obliczeniowy: Wartość twardości Brinella to iloraz obciążenia i powierzchni kulistej odcisku.
Twardość Rockwella (HR):
Zakres zastosowania: Ogólnie rzecz biorąc, stosuje się je do materiałów o większej twardości, np. po obróbce cieplnej.
Zasada pomiaru: podobna do twardości Brinella, lecz wykorzystuje inne sondy (diamentowe) i inne metody obliczeniowe.
Rodzaje: W zależności od zastosowania rozróżnia się HRC (do materiałów o wysokiej twardości), HRA, HRB i inne rodzaje.
Twardość Vickersa (HV):
Zakres zastosowania: Nadaje się do analizy mikroskopowej.
Zasada pomiaru: Naciśnij powierzchnię materiału siłą mniejszą niż 120 kg za pomocą stożkowego wgłębnika diamentowego o kącie wierzchołkowym 136°, a następnie podziel powierzchnię wgłębienia materiału przez wartość obciążenia, aby uzyskać wartość twardości Vickersa.
Twardość Leeba (HL):
Cechy: Przenośny twardościomierz, łatwy do pomiaru.
Zasada pomiaru: należy wykorzystać odbicie wygenerowane przez głowicę kulową po uderzeniu w twardą powierzchnię i obliczyć twardość jako stosunek prędkości odbicia stempla w odległości 1 mm od powierzchni próbki do prędkości uderzenia.
Czas publikacji: 25.09.2024
